CC BY
121
технических наук, профессор кафедры «Мелиорация и рекультивация земель» Тел. 8-916-611-80-23 E-mail: vodoem@mail.ru Сольский Станислав Викторович,
доктор технических наук, заведующий отделом «Основания, грунтовые и подземные сооружения» Тел. 8-921-964-36-05 E-mail: solskiysv@vniig.ru
УДК 502/504 : 626/627 В. Н. АВЕРЬЯНОВ
ЗАО «Проектно-изыскательское научно-исследовательское бюро «ГИТЕСТ»
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАБУХАЮЩЕЙ ГЛИНЫ ДЛЯ ВОЗВЕДЕНИЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЭКРАНОВ ГАЭС
Дана оценка возможности использования набухающих глин для возведения противофильтрационных экранов ГАЭС. Выполненными исследованиями показано, что нарушение естественной структуры глины при строительстве экрана и устройство его пригрузки в виде защитного покрытия практически исключают набухание глины и увеличение ее водопроницаемости. Экран, возведенный из этих глин, характеризуется коэффициентом фильтрации Кф = А-10-9 см/с, где А = 1...10.
Противофильтрационный экран, возведение, набухающая глина,
водопроницаемость, структура глины, коэффициент фильтрации, плотность грунта, влажность грунта.
The assessment of the possibility of using swelling clays for construction of watertight screens of PSP (pump storage plant) is given. The carried out researches have shown that breakage of the clay natural structure during construction of the screen and the way of its cantledging as a protective coating practically eliminate clay swelling and increase of its water tightness. The screen built of these clays is characterized by filtration coefficient Kf=A-10-9 cm/s, where A= 1...10.
Watertight screen, construction, swelling clay, permeability, clay structure, filtration coefficient, soil density, soil humidity.
В состав основных сооружений ги- эксплуатации за счет набухания глины в
дроаккумулирующих электростанций процессе ее водонасыщения. (ГАЭС) обязательно входит верхний Влияние набухания глинистого
аккумулирующий водоем, в котором грунта экрана на водопроницаемость
накапливается вода для выработки электро- изучали на примере Днестровской
энергии. Чтобы минимизировать филь- ГАЭС. Исследовали набухание об-
трационные потери воды, закаченной в разцов неогеновой глины ненарушенной
водоем снизу, и исключить возможность структуры при естественной влажности
ухудшения гидрогеологической обстанов- и образцов нарушенной структуры, сфор-
ки в районе расположения ГАЭС, верхний мированных уплотнением валовых проб
аккумулирующий водоем экранируют. глины до состояния, характеризующегося
При проектировании и строитель- полутвердой консистенцией и коэффи-
стве противофильтрационных экранов из циентом водонасыщения 0,89...0,94, соот-
глинистых грунтов для водоемов ГАЭС ветствующим требованиям технических
большое внимание уделяется оценке условий на возведение экрана. возможности изменения их водопро- В естественной залежи тонкоди-
ницаемости во время строительства и сперсные неогеновые глины характери-
зуются средней степенью литификации. Состав глинистой фракции полиминерален и представлен, по данным рентгенострук-турного анализа, монтмориллонитом, гидрослюдой, смешанно-слойными образованиями типа хлорит-монтмориллонит и гидрослюдами с гидратированным хлоритом (в следах). В обломочной части глин преобладают кварц (40...70 % от обломочной массы), полевые шпаты (до 20 %). Глинам присуща твердая и полутвердая консистенция. Число пластичности для основного объема залежи глины составляет 0,33 и может колебаться от 0,25 до 0,45.
Образцы глины ненарушенной структуры, характеризующиеся числом пластичности 0,33, были вырезаны из монолитов, отобранных при бурении скважины, а образцы глины нарушенной структуры вырезаны из монолитов, сформированных путем уплотнения грунта в приборе стандартного уплотнения по ГОСТ 22733-2002 «Грунты. Метод лабо-
раторного определения максимальной плотности». Образцы глины из монолитов вырезали кольцами компрессионного прибора.
На рисунке 1 показан процесс вырезания образца ненарушенной структуры из монолита.
На образцах глины были выполнены исследования набухания без нагрузки (свободное набухание) и набухания под нагрузкой 0,018 МПа, которая создается на поверхности противофильтрацион-ного экрана его защитным покрытием, состоящим из 0,2 м песка, 0,2 м щебня крупностью 0.70 мм и пригрузкой 0,5 м горной массой крупностью 0.200 мм.
Для получения информации о поведении набухающей глины при ее высыхании образцы грунта в кольцах компрессионного прибора после испытания на набухание под нагрузкой помещали в термостат и высушивали до постоянной массы.
а б в
Рис. 1. Вырезание из монолита кольцом компрессионного прибора образца глины ненарушенной структуры (а), вид этого образца в кольце (б) и вид образца глины нарушенной структуры, вырезанного кольцом из монолита, сформированного уплотнением грунта валовой пробы в приборе стандартного уплотнения (в): 1 - монолит; 2 - упаковка; 3 - образец; 4 - кольцо компрессионного прибора; 5 - тонкие прослои и линзы алевритов; 6 - куски глины, срезанные с монолита в процессе вырезания образца
Исследования набухания и усадки образцов грунта ненарушенной структуры, характеризующей его естественное сложение, и образцов грунта нарушенной структуры, характеризующей его сложение в теле противофильтрационного экрана, выполнены в соответствии с ГОСТ 24143-80 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик набухания и усадки».
Ведомость исследованных образцов грунта приведена в таблице 1.
В приборах свободного набухания и в компрессионных приборах деформации регистрировали после начала отсчета через 5, 10, 30, 60 мин, далее через 2 ч в течение рабочего дня, а затем в начале и конце последующих рабочих дней до достижения условной стабилизации деформаций.
За критерий условной стабилизации деформаций свободного набухания глинистых грунтов или деформаций набухания под нагрузкой принимали
деформацию не более 0,01 мм за 16 ч.
После стабилизации деформаций образцы грунта в компрессионных приборах были залиты водой. Наблюдения за деформациями образцов в компрессионных приборах продолжали до стабилизации деформаций набухания.
Для каждого исследованного образца грунта определены: относительная деформация набухания без нагрузки е (терминология по ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация») или свободное набухание 50 (терминология по ГОСТ 24143-80 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик набухания и усад-
ки»), деформация набухания грунта под нагрузкой 5н, влажность набухания Wн и плотность скелета набухшего грунта рй(н).
После выявления основных характеристик физических свойств грунта (плотности скелета, пластичности и коэффициента пористости) до начала исследований на набухание и после испытания для всех образцов было установлено изменение их степени водопроницаемости в зависимости от изменения этих характеристик на основе анализа обобщенных результатов исследований коэффициента фильтрации глинистых грунтов [1].
Таблица 1
Ведомость исследованных образцов грунта
№№ монолита и валовой пробы №№ лабораторного образца грунта Вид исследования Структура грунта в образце Параметры начального состояния грунта в образцах
Влажность W, д. ед. Плотность скелета грунта р , г/см3 Коэффициент водонасыщения Л , д. ед.
Монолит № 2 2-2 Свободное набухание в приборе ПНГ Ненарушенная 0,20 1,60 0,78
2-6 0,20 1,64 0,83
2-1 Набухание под нагрузкой 0,018 МПа в компрессионном приборе 0,21 1,70 0,95
2-2* 0,20 1,75 0,98
2-3 0,20 1,72 0,94
Монолит № 3 3-2 Свободное набухание в приборе ПНГ 0,21 1,71 0,97
3-6 0,21 1,69 0,83
Валовая проба № 1 1-2 Нарушенная 0,25 1,55 0,90
1-4 0,23 1,63 0,93
1-5 0,25 1,56 0,91
1-1 Набухание под нагрузкой 0,018 МПа в компрессионном приборе 0,25 1,54 0,89
1-2* 0,25 1,58 0,94
1-3 0,25 1,57 0,93
Перед испытанием на свободное набухание образцы глины ненарушенной структуры имели коэффициент водонасы-щения = 0,78...0,98 (меньшее значение относится к образцам с прослойками алевритов, большее значение - к однородным образцам глины), образцы глины нарушенной структуры, как отмечалось ранее, имели = 0,89.0,94. После набухания все образцы характеризовались коэффициентом водонасыщения = 0,95.1,00.
Свободное набухание образцов глины ненарушенной структуры и образцов глины нарушенной структуры сопровождалось изменением их консистенции с твердой и полутвердой на тугопластич-ную и закончилось на вторые-третьи сутки после их замачивания дистиллированной водой. При этом основная часть деформаций набухания происходила в
первые сутки.
Согласно ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация», по относительной деформации набухания без нагрузки е (свободное набухание 50) глины ненарушенной структуры относятся к разновидностям средненабухающих: для образца
2-2 е^ = 0,078, для образца 2-6 е^ = 0,082, для образца 3-2 е = 0,12 и для образца
3-6 е = 0,10.
sw 7
После нарушения естественной структуры и последующего уплотнения в соответствии с требованиями технических условий на возведение экрана эти же глины по относительной деформации свободного набухания следует относить к разновидностям слабонабухающих: для образца 1-2 е^ = 0,040, для образца 1-4 е = 0,067, для образца 1-5 е = 0,031.
sw 7 7 ^ А 1 sw
Влажность набухания для всех 5' 2014
образцов грунта составила Wн = 0,29.0,31, т. е. 60.70 % от величины влажности на границе текучести.
По результатам выполненных исследований свободного набухания неогеновой глины ненарушенной и нарушенной структуры можно сказать, что связь между степенью набухания и другими его физическими свойствами соответствует общим представлениям о закономерностях их изменения, установленным ранее для глин другими исследователями [2-5].
Кинетика относительных деформа-
ций глины ненарушенной и нарушенной структуры под нагрузкой 0,018 МПа и при набухании глины после замачивания дистиллированной водой показана на рисунке 2 в виде графиков зависимости относительной деформации 5 от времени Т. Из графиков видно, что в образцах ненарушенной структуры деформация набухания (5н = 0,029.0,041) значительно превосходит деформацию сжатия под нагрузкой (5р = 0,006.0,008), а в образцах нарушенной структуры - наоборот: 5 = 0.0,003, а 5 = 0,004.0,011.
0,034
12 14 16 18 20 22 24 26 27 28
Время Т, сут
-0.012
Рис. 2. График осадки и набухания образцов глины нарушенной и ненарушенной структуры под нагрузкой 0,018 МПа в компрессионном приборе: сплошные линии - образцы ненарушенной структуры; штриховые линии - образцы нарушенной структуры
Исследования показали, что под нагрузкой 0,018 МПа грунт ненарушенной структуры набухает очень мало, без изменения своей консистенции, а грунт нарушенной структуры не набухает, что подтверждает ранее установленную эффективность
защитного слоя на поверхности экрана [6].
На рисунке 3 показано изменение плотности и влажности грунта при свободном набухании и при набухании под нагрузкой на фоне требуемых значений по техническим условиям.
17»
1 16»
\
\ V \
СИ <х яии?^ 2-2 /
ч
0.16 11,1« 5 20 0.Ш д.» О» 4.Э0 4.»
ви»»хиет» груш*, Ч/. лот мшн Консистенция
-ВЛрДаЯ
тугйпл веточная
1.70
í
а 165
, I»
I»
■ «
V \ \ хк^вич
\ \ \
Шь.
ч \
\ \ \
ч л X \ \
\
0 1» 0.18 о?) И22 С 24 иге ОМ ».И »12 Влажность грунта, доли единицы
а б
Рис. 3. Изменение плотности и влажности глины при свободном набухании (а) и при набухании под нагрузкой 0,018 МПа (б): сплошные линии - образцы ненарушенной структуры; штриховые линии - образцы нарушенной структуры. Номера образцов показаны у точек, характеризующих их начальную плотность-влажность; заштрихована зона требуемых значений плотности-влажности грунта; начальные значения плотности-влажности образцов 1-1, 1-2*
Имея характеристики плотности скелета рй (а значит, коэффициента пористости е) и пластичности Jр изучаемого глинистого грунта, по зависимости Кф = f(е, Jp*), рекомендованной ВНИИ ВОДГЕО, на основе обобщения фильтрационных исследований различных глинистых грунтов определены величины коэффициента фильтрации образцов грунта до испытания на набухание и после его окончания (табл. 2) [1]. При этом в запас фильтрационной прочности экрана принято J = J *, где J - число пластичности р р р
ГОСТ
грунта,
0%
определенное
по
5180-84, J * - число пластичности того же
К < 1,510
ф
проницаемость образцов глины нарушенной структуры - в 2-3 раза. Но во всех случаях после свободного набухания глины коэффициент фильтрации не превышал контрольного значения: см/с.
Под нагрузкой 0,018 МПа происходит незначительное набухание, что практически не влияет на изменение фильтрационных свойств грунта как ненарушенного, так и нарушенного сложения. Образцы грунта, имеющие плотность и влажность, соответствующие требованиям технических условий на возведение экрана, характеризуются коэффициен-
грунта, определенное по методу «чашеч- том фильтрации Кф < А10-9 см/с, где
А - любое число от 1 до 10.
Такие же величины коэффициента фильтрации для рассматриваемых глин, характеризующихся числом пластичности от 0,25 до 0,45, были получены в результате научных работ, выполненных ОАО «Научно-исследовательский
ки». Для глин обычно Jp* = Jp + (6...10).
Результаты определения величин коэффициента фильтрации глин для исследованных образцов показали, что при свободном набухании водопроницаемость образцов глины ненарушенной структуры увеличилась на порядок, водо-
Мб)
5' 2014
Таблица 2
Результаты определения величин коэффициента фильтрации образцов глины до испытания на набухание и после его окончания
монолитам ва-овой пробы о ^ О й нт рн я Я н а а н н я т о о н Характеристика грунта
о ^ тр р оа \о я й 2 а лр в о ч ф л Структура гр в образца и с ^ о До испытания на набухание После окончания испытания на набухание
о и Коэффициент Коэффициент Коэффициент Коэффициент
2 4 % •31 ю < о % ч и В ч о и Р пористости е, д. ед. фильтрации Кф, см/с пористости е, д. ед. фильтрации Кф, см/с
Я (-н 8 о К
2-2 0,70 410-10 0,82 210-9
2-6 0,66 210-10 0,83 310-9
(М и и
т и ч о н о 2-1 -а Ч ^ и ОСООф о ° 8 °о! Я и е 0,60 610-11 0,60 610-11
% 2-2* со со 0,55 210-11 0,55 210-11
«од« \oroo Я I? Я е Н
2-3 0,58 410-11 0,58 410-11
со
н и л 3-2 ^ а бо аб и я 0,59 510-11 0,81 110-9
о
о й 3-6 бодное ие в пр ПНГ 0,61 710-11 0,79 910-10
1-2 0,75 710-9 0,87 110-8
1-4 он я й О X 0,67 310-9 0,79 910-9
гН 1-5 0,74 610-9 0,86 110-8
Валовая проба 1-1 -а ч и ОСООф я а и и е ¡3 ру 5 2 0,77 810-9 0,77 810-9
1-2* «од« \oroo Нр й К 0,72 410-9 0,72 410-9
1-3 0,73 510-9 0,73 510-9
Примечание: При определении числа пластичности Jp для глин ненарушенной структуры грунт отбирали из той части монолитов, где отсутствуют прослойки и гнезда алевритов, а для глин нарушенной структуры грунт отбирали из перемешанной валовой пробы, включая алевриты. Этим объясняется различие в значениях числа пластичности для глин ненарушенной (^ = 33 %) и нарушенной (^ = 25 %) структуры.
институт энергетических сооружений» (ОАО «НИИЭС») в Москве и лабораторией крупномасштабных гидравлических и геотехнических исследований в городе Днепропетровске при обосновании конструкции противофильтрационного экрана верхнего аккумулирующего водоема Днестровской ГАЭС.
Для получения представления о поведении глины при высыхании образцы грунта в кольцах компрессионных приборов после испытания на набухание были помещены в термостат и высушены до постоянной массы. Вид образцов глины нарушенной и ненарушенной структуры после высушивания представлен на рис. 4.
а б
Рис. 4. Образцы глины нарушенной (а) и ненарушенной (б) структуры после высушивания в термостате (на поверхности образца «а» остались следы фильтровальной бумаги в виде светлых пятен)
Большую усадку дал грунт нарушенной структуры при наименьшем
количестве трещин. В образцах грунта нарушенной структуры формировалась система вертикальных трещин одного порядка, а в образцах грунта ненарушенной структуры - системы вертикальных, горизонтальных и наклонных трещин разных порядков, что говорит о возможной потере фильтрационной прочности при высыхании грунта как ненарушенной, так и нарушенной структуры.
Различия по величине усадки, форме и расположению трещин объясняются особенностями подготовки образцов к испытаниям.
Из приведенных исследований видно, что набухание рассматриваемых глин не может отрицательно повлиять на качество противофильтрационного экрана. Опасным является процесс высыхания экрана, который может сопровождаться усадкой глины и образованием трещин. Для исключения возможности свободного набухания и усадки глин экран необходимо возводить на полную мощность, по участкам, и сразу устраивать защиту (пригрузку) на его поверхности.
Выводы
Набухающие глины вполне применимы для возведения противофильтра-ционных экранов ГАЭС. Водопроницаемость экрана, возводимого из этих глин, характеризуется коэффициентом фильтрации Кф = А10-9 см/с, где А = 1...10.
Нарушение естественной структуры глины при возведении экрана и устройство пригрузки на его поверхности практически исключают возможность набухания глины в теле экрана и увеличения водопроницаемости.
Образцы глины ненарушенной и нарушенной структур характеризуются единой влажностью набухания Wн, которая составляет 60.70 % от влажности на границе текучести WL.
Свободное набухание глины уменьшается по мере приближения ее влажности в уплотненном состоянии к влажности набухания. Это свойство набухающей глины может быть использовано при назначении параметров укладки в противофильтрационный экран.
В процессе высыхания глины происходит усадка, которая сопровождается образованием трещин в грунтовом массиве и потерей его фильтрационной прочности.
(ДБ)
Для исключения возможности свободного набухания и усадки глины в теле противофильтрационных экранов необходимо возводить экраны на полную мощность, по участкам, и сразу устраивать защитное покрытие их поверхности с пригрузкой.
Приведенные результаты исследований набухающей глины, обосновывающие возможность ее применения для возведения противофильтрационных экранов ГАЭС, могут быть распространены и на другие противофильтрацион-ные устройства гидротехнических сооружений: понуры, ядра и зубья плотин из грунтовых материалов, накопителей загрязненных стоков, золоотвалов, иловых площадок и др.
1. Рекомендации по расчету обратных фильтров плотин из грунтовых материалов. - М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1981. - 62 с.
2. Сорочан Е. А. Строительство сооружений на набухающих грунтах. - М.: Стройиздат, 1989. - 312 с.
3. Гольдштейн М. Н. Механические свойства грунтов. - М.: Стройиздат, 1973. - 375 с.
4. Овчаренко Ф. Д., Ничипоренко С. П., Валицкая В. Н. Об определении величины набухания глин // Коллоидный журнал. - 1962. - Т. XXIV. - № 1.
5. Теоретические основы инженерной геологии. Физико-химические основы; под ред. акад. Е. М. Сергеева. - М.: Недра, 1985. - 288 с.
6. Павилонский В. М. Экспериментальные исследования набухания на различной глубине от поверхности грунтового экрана: Научные исследования в области гидротехнических сооружений систем водного хозяйства промышленности: труды Института ВОДГЕО. - М.: ВОДГЕО, 1979. - С. 26-29.
Материал поступил в редакцию 28.08.14. Аверьянов Виталий Николаевич, генеральный директор Тел. 8-926-280-01-20 E-mail: info@gitest.ru
5' 2014
